Selective Biomass Valorization in Neutral Electrolyte by Lowering the O 2 Activation Energy via Tandem Catalysis

化学 催化作用 串联 产量(工程) 电化学 选择性 电解质 离解(化学) 活化能 反应机理 醛 氧化还原 有机化学 组合化学 协同催化 溶解度 水溶液 甘油 生物量(生态学) 激进的 级联反应 无机化学 催化氧化
作者
Yuanjie Zheng,Qiqi Wu,Haonan Wang,Peng Wang,Wei‐Hsiang Huang,Yun Hong Zhao,Guangxu Chen
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (21): 18155-18166 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c05599
摘要

Conventional aerobic oxidation of biomass 5-hydroxymethylfurfural (HMF) encounters challenges due to the harsh conditions stemming from low solubility and high activation energy of O 2, which hinder the efficient production of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA). Here, we propose a tandem catalytic system that lowers the activation energy for O 2 to enable efficient and selective HMF oxidation to produce FDCA or 5-formyl-2-furoic acid (FFCA) under mild conditions. To overcome the high activation energy of O 2 in the thermocatalytic processes, an electrochemical O 2 activation process was employed to efficiently produce H 2 O 2 as an oxidant to valorize HMF into either FDCA or FFCA. This tandem catalytic system achieved a cumulative FDCA yield of 2.21 mol g Ru –1, full HMF conversion (100%), and complete product selectivity (100%), with an average productivity of 13.19 mmol g Ru –1 h –1 over an extended 170 h operation period. The FDCA productivity in this work exceeds that in most aerobic oxidations under mild conditions. Further investigation into the detailed reaction process demonstrated that OH from H 2 O dissociation directly interacted with the aldehyde group in HMF to form a carboxylic acid group, while H 2 O 2 serves as an oxidant to extract electrons from HMF or reaction intermediates. Furthermore, the efficient oxidation of structurally diverse substrates from EtOH to glycerol demonstrates the broad applicability of this tandem catalytic system.
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